燃料电池汽车动力系统结构与控制相关性研究综述

徐贤 高海宇

【摘 要】出于环保压力、国家能源安全及抢占发展先机等因素考虑，中国把新能源汽车产业定位为国家七大战略性新兴产业之一。目前充电和续航里程仍是纯电动汽车面临的两大课题，而燃料电池混合动力汽车可以解决纯电动汽车（BEV）在充电时间、续航里程方面的短板，成为新能源汽车发展的终极目标。混合度作为燃料电池混合动力系统关键参数，根据开发的阶段目标，将混合度分为系统结构相关的静态混合度和控制策略相关的动态混合度，通过在静态混合度的边界内对动态混合度的控制，实现对车辆动力性与经济性的优化。

【关键词】燃料电池；混合度；新能源汽车

中图分类号： U469.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0205-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.095

【Abstract】In view of environmental pressure，national energy security and preemptive development opportunities， China has positioned the new energy automobile industry as one of the seven national strategic emerging industries.At present，the battery charge time and range per charge remain are the two major issues for battery electric vehicles （BEV）.But fuel cell hybrid cars can solve the above shortcomings of BEV properly，and could be the ultimate goal of the development of new energy vehicles.The hybrid degree is the key parameter of fuel cell vehicle and its powertrain system，and based on the phase of the development，the hybrid degree is divided into the static hybrid degree of the system and the dynamic hybrid degree of the control strategy.Vehicle dynamic and economy performance can be optimized by controlling the dynamic hybrid degree in the boundary of the static hybrid degree.

【Key words】Fuel cell；Hybrid degree；New energy vehicle

随着汽车工业迅猛发展，全球汽车保有量快速增长引起石油资源消耗递增和环境污染问题亟待解决，因此降低燃油消耗、减少温室气体排放的新能源汽车已成为汽车行业发展的主流方向。近几年来，世界主要汽车强国纷纷表示将新能源汽车的发展提升至国家战略，尤其是欧盟一些国家不仅提出禁售燃油车时间表，而且也上升到具体法律层面，同时采取一些“限行”措施。发展新能源汽车是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路[1]，新能源汽车产业也是国家七大战略性新兴产业之一。

出于环保压力、国家能源安全及抢占发展先机等因素考虑，2016年10月，国家发布《节能与新能源汽车技术路线图》，进一步明确未来重点发展纯电动（EV）、插电式混合动力（PHEV）及燃料电池（FCEV）汽车作为新能源汽车主要方向。

1 燃料电池的优势

纯电动汽车（BEV）仅依靠动力电池作为汽车驱动动力源，但是由于动力电池与液体燃料相比其能量密度低，续航里程和充电时间是纯电动汽车面临的两大课题，现阶段动力电池技术没有出现革命性突破的情况下，很难得到妥善解决。

燃料电池可以完全替代液体燃料，而且具有“零排放”、能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一[2]。

2 动力系统结构参数之静态混合度

由于燃料电池同时也存在着工作特性偏软、动态响应差、功率密度较低等特性，单独把燃料电池作为车辆动力源存在无法满足负载频繁剧烈变化、启动时间长、无法回收制动能量及成本高等缺点。通常在实际应用中采用燃料电池与超级电容或蓄电池等辅助能源混合使用（即燃料电池混合动力汽车），这样可以使主动力单元——燃料电池在理想负荷区域工作，辅助能源作为负荷调节而提高整车效率。

燃料电池混合动力系统结构研究中最关键的参数是混合度，一般混合度是针对动力系统结构的，定义为燃料电池功率与电机功率（或是燃料电池功率与电池组功率之和）的比值。上述定义的混合度是一个静态值，以下简称静态混合度。

3 动力系统控制参数之动态混合度

采用两个或两个以上动力源共同为车辆提供动力，必然会带来动力源功率匹配问题[3]，同时考虑到车辆动力需求及动力源自身的相关参数一直在变化，动力系统控制策略必须能够根据车辆行驶的需求转矩及动力源自身的相关参数合理的分配各动力部件的功率输出，使各動力部件在最佳工作区间运转，同时确保实现车辆的动力和经济性要求。因此引出动态混合度概念，即燃料电池动态输出功率与电机动态需求功率（或是燃料电池动态输出功率与电池组动态输出功率之和）的比值。

4 小结

静态混合度用于动力系统结构研究，动态混合度用于动力系统控制策略研究。动力系统结构设计需要满足整车的动力性、经济性、布置与成本等设计需求，而动力系统控制策略需要在动力系统结构设计约束下工作，以实现车辆动力性和经济性目标。

【参考文献】

[1]刘传富.新能源汽车产业发展中政府扶持的研究研究[D].重庆.西南大学.2015.

[2]刘宗巍，史天泽，郝瀚，赵福全.中国燃料电池汽车发展问题研究[J].汽车技术，2018，1：1-9.

[3]周苏，张晔，牛继高，王廷宏，陈凤祥.基于Cruise/Simulink的FCHEV燃料电池和动力蓄电池功率匹配研究[J].青岛大学学报，2010，25（4）：20-27.